Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada por cientistas da Universidade de Manchester, desenvolveu um método rápido e econômico de converter metano, ou gás natural, em metanol líquido à temperatura e pressão ambiente. O método ocorre sob fluxo contínuo sobre um material fotocatalítico usando luz visível para conduzir a conversão.
Para ajudar a observar como o processo funciona e quão seletivo ele é, os pesquisadores usaram espalhamento de nêutrons no instrumento VISION na Spallation Neutron Source do Oak Ridge National Laboratory.
O método envolve um fluxo contínuo de metano/água saturada de oxigênio sobre um novo catalisador de estrutura metal-orgânica (MOF). O MOF é poroso e contém diferentes componentes, cada um com um papel na absorção de luz, transferência de elétrons e ativação e união de metano e oxigênio. O metanol líquido é facilmente extraído da água. Tal processo tem sido comumente considerado “um santo graal da catálise” e é uma área de foco para pesquisas apoiadas pelo Departamento de Energia dos EUA. Os detalhes das descobertas da equipe, intituladas “Foto-oxidação direta de metano em metanol em um local de hidroxila de mono-ferro”, foram publicados na Nature Materials.
O metano de ocorrência natural é um combustível abundante e valioso, usado em fornos, fornalhas, aquecedores de água, fornos, automóveis e turbinas. No entanto, o metano também pode ser perigoso devido à dificuldade de extração, transporte e armazenamento.
O gás metano também é prejudicial ao meio ambiente quando é liberado ou vaza para a atmosfera, onde é um potente gás de efeito estufa. As principais fontes de metano atmosférico incluem a produção e uso de combustíveis fósseis, biomassa apodrecida ou queimada, como incêndios florestais, resíduos agrícolas, aterros sanitários e derretimento do permafrost.
O excesso de metano é comumente queimado, ou queimado, para reduzir seu impacto ambiental. No entanto, esse processo de combustão produz dióxido de carbono, que é um gás de efeito estufa.
A indústria há muito procura uma maneira econômica e eficiente de converter metano em metanol, uma matéria-prima altamente comercializável e versátil usada para fazer uma variedade de produtos industriais e de consumo. Isso não apenas ajudaria a reduzir as emissões de metano, mas também forneceria um incentivo econômico para isso.
O metanol é uma fonte de carbono mais versátil do que o metano e é um líquido facilmente transportável. Pode ser usado para fabricar milhares de produtos como solventes, anticongelantes e plásticos acrílicos; tecidos e fibras sintéticas; adesivos, tintas e compensados; e agentes químicos usados em produtos farmacêuticos e agroquímicos. A conversão de metano em um combustível de alto valor, como o metanol, também está se tornando mais atraente à medida que as reservas de petróleo diminuem.
Quebrando o vínculo
Um desafio primário de converter metano (CH4) em metanol (CH3OH) tem sido a dificuldade de enfraquecer ou quebrar a ligação química carbono-hidrogênio (C-H) para inserir um átomo de oxigênio (O) para formar uma ligação C-OH. Os métodos convencionais de conversão de metano normalmente envolvem duas etapas, reforma a vapor seguida de oxidação do gás de síntese, que consomem muita energia, são caras e ineficientes, pois exigem altas temperaturas e pressões.
O processo rápido e econômico de metano para metanol desenvolvido pela equipe de pesquisa usa um material MOF multicomponente e luz visível para conduzir a conversão. Um fluxo de água saturada de CH4 e O2 é passado através de uma camada de grânulos MOF enquanto expostos à luz. O MOF contém diferentes componentes projetados que são localizados e mantidos em posições fixas dentro da superestrutura porosa. Eles trabalham juntos para absorver a luz para gerar elétrons que são passados para oxigênio e metano dentro dos poros para formar metanol.
“Para simplificar bastante o processo, quando o gás metano é exposto ao material MOF funcional contendo sítios mono-ferro-hidroxila, as moléculas de oxigênio ativadas e a energia da luz promovem a ativação da ligação C-H no metano para formar metanol”, disse Sihai. Yang, professor de química em Manchester e autor correspondente. “O processo é 100% seletivo – o que significa que não há subproduto indesejável – comparável à metano monooxigenase, que é a enzima na natureza para esse processo”.
Os experimentos demonstraram que o catalisador sólido pode ser isolado, lavado, seco e reutilizado por pelo menos 10 ciclos, ou aproximadamente 200 horas de tempo de reação, sem perda de desempenho.
O novo processo fotocatalítico é análogo ao modo como as plantas convertem a energia luminosa em energia química durante a fotossíntese. As plantas absorvem a luz solar e o dióxido de carbono através de suas folhas. Um processo fotocatalítico converte esses elementos em açúcares, oxigênio e vapor de água.
“Esse processo foi chamado de ‘santo graal da catálise’. Em vez de queimar metano, agora pode ser possível converter o gás diretamente em metanol, um produto químico de alto valor que pode ser usado para produzir biocombustíveis, solventes, pesticidas e aditivos de combustível para veículos”, disse Martin Schröder, vice-presidente e reitor da faculdade de ciências e engenharia em Manchester e autor correspondente. “Este novo material MOF também pode ser capaz de facilitar outros tipos de reações químicas, servindo como uma espécie de tubo de ensaio no qual podemos combinar diferentes substâncias para ver como elas reagem.”
Usando nêutrons para retratar o processo
“O uso de espalhamento de nêutrons para tirar ‘fotos’ no instrumento VISION confirmou inicialmente as fortes interações entre CH4 e os locais mono-ferro-hidroxil no MOF que enfraquecem as ligações C-H”, disse Yongqiang Cheng, cientista de instrumentos do ORNL Neutron Sciences Directorate .
“VISION é um espectrômetro vibracional de nêutrons de alto rendimento otimizado para fornecer informações sobre estrutura molecular, ligações químicas e interações intermoleculares”, disse Anibal “Timmy” Ramirez Cuesta, que lidera o Grupo de Espectroscopia Química no SNS. “As moléculas de metano produzem sinais de dispersão de nêutrons fortes e característicos de sua rotação e vibração, que também são sensíveis ao ambiente local. Isso nos permite revelar inequivocamente as interações de enfraquecimento de ligações entre CH4 e o MOF com técnicas avançadas de espectroscopia de nêutrons.”
Rápido, econômico e reutilizável
Ao eliminar a necessidade de altas temperaturas ou pressões e usar a energia da luz solar para conduzir o processo de foto-oxidação, o novo método de conversão pode reduzir substancialmente os custos operacionais e de equipamentos. A maior velocidade do processo e sua capacidade de converter metano em metanol sem subprodutos indesejáveis facilitarão o desenvolvimento de processamento em linha que minimiza custos.
Publicado em 06/07/2022 21h56
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